Касательная сила резания при строгании кромок фанеры Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

12. Шалаев, В.С. Совершенствование теории раскроя древесного сырья на пилопродукцию заданных размеров и качества: Дисс...докт. техн. наук. / В.С. Шалаев. - М., 1995. - 472 с.

13. Шалаев, В.С. Способ получения пиломатериалов из бревен / В.С. Шалаев, Г.И. Звягина, С.Н. Рыку-нин. - А.С. №1142276, кл.В2711/00, 1984.

14. Рыкунин, С.Н. Рациональное использование древесного сырья в производстве заготовок: дисс. ... докт. техн. наук / С.Н. Рыкунин. - М., 1988. -366 с.

15. Kato, K. 1976. Simulation of the yields of lumber. (1) A standard of the best method of sawing lumber from

a log in consideration of knots. J. Hokkaido For. Prod. Res. Inst. 1:2-6 (in Japanese).

16. Marcel Samson. Method for Assessing the Effect of Knots in the Conversion of Logs into Structural Lumber, Wood and Fiber Science, V22, Jule 1993, No.3, p.298-304.

17. M. Samson. Modelling of knots in logs. Wood Science and Technology. 27:429-437 (1993)

18. Nakata, K. 1986. Simulation of softwood-log sawing. J. Hokkaido For. Prod. Res. Inst. 3:15-22 (in Japanese).

19. Taylor Wagner, F.G., Jr., AND F.W. Taylor. 1975. Simulated sawing with a chipping headrig. Forest Prod. J. 25(10): 24-28.

КАСАТЕЛЬНАЯ СИЛА РЕЗАНИЯ ПРИ СТРОГАНИИ КРОМОК ФАНЕРЫ

И.Т. ГЛЕБОВ, доц. каф. станков и инструментов Уральского ГЛТУ, канд. техн. наук, В.В. ГЛЕБОВ, студент магистратуры Уральский ГЛТУ

Фанера - древесный материал, состоящий из нескольких склеенных листов лущеного шпона при взаимно перпендикулярном расположении волокон древесины в смежных листах. Фанера широко используется в строительстве, машино- и судостроении, домостроении, производстве мебели. При механической обработке кромки листов фанеры формируют пилением, фрезерованием, строганием, шлифованием. Однако в теории резания древесины отсутствуют сведения о режимах обработки кромок фанеры.

Целью настоящей работы является определение зависимости касательной силы резания от толщины срезаемого слоя при строгании кромок фанеры общего назначения [1] на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Известно, что для массивной древесины единичная касательная сила резания в зависимости от толщины срезаемого слоя описывается двумя уравнениями: уравнением параболы в диапазоне микросрезаемых слоев и уравнением прямой линии в диапазоне срезаемых слоев a = 0,1.. .2,0 мм [2]

- для микрослоев Fx1 = (p + 0,1k)(1 - 1/Xa2 +\

+ 0,2/X • a - 0,01/X), (1)

- для макрослоев

[email protected], [email protected]

Fx1 = ap + ka, (2)

где Fx1 - единичная касательная сила резания, Н/мм;

p - фиктивная сила резания, Н/мм; k - касательное давление срезаемого слоя на переднюю грань зуба, МПа; a - толщина срезаемого слоя, мм; ap - коэффициент затупления режущей кромки зуба;

X - коэффициент, мм2;

X = р02 + 0,2р0 + 0,01,

где р0 - начальный радиус закругления режущей кромки, мм.

При расчете режимов резания массивной древесины используют метод А.Л. Бершадского, основанный на «Общем законе резания древесины», в котором принято несколько допущений, одно из которых заключается в том, что граничное значение между микро- и макросрезаемыми слоями равно a0 = 0,1 мм. Теоретическое обоснование этого значения нам неизвестно, хотя принято во многих экспериментальных исследованиях.

Предлагаемая статья подготовлена с целью вывода математической модели касательной силы резания при строгании кромок фанеры в зависимости от срезаемых слоев и получения обоснованного значения граничного значения.

122

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Вывод расчетной формулы для мик-росрезаемых слоев. В диапазоне микрослоев (0 < a < a0 мм) линия зависимости единичной касательной силы резания от толщины срезаемого слоя имеет параболическую форму (рис. 1). Общее уравнение параболы АЕ в осях координат Fxl и а

Fxl = са2 + da + е, (3)

где с, d, е - параметры параболы.

Взяв первую производную функции (3) по а, и приравняв ее нулю, найдем абсциссу, а затем и ординату вершины параболы. Парабола проходит через точку Е, и вершина ее расположена в точке А.

Координаты точки А

аА = 0G = an = -d/2c;

Fx\a =AG = F =

4 се - d2 4c

(4)

(5)

где FXQi - значение касательной силы резания при толщине срезаемого слоя а0 мм:

Fxa0 =CLpp+a0k

(расчет по уравнению прямой линии АВ), где ар коэффициент затупления режущей кромки лезвия.

Отсюда получим

d = -2ca0, (6)

4cFxa =4ce-d2. (7)

ли0

Точка Е, лежащая на параболе, имеет координаты

aE = -p;

Fx1E = (8)

Подставляя эти координаты в уравнение параболы (1), получим

0 = cp2 - dp + e, e = -cp2 + dp. (9)

Получена система уравнений для определения параметров с, d, е параболы d = -2cao;

- 4cFxao =4ce-d2; (10)

e = —cp2 + dp.

После решения системы уравнений получено

c=_^.dJ_^.e=F^_^ (id

где X - коэффициент, мм2:

X = p2 + 2a0p + a02,

где p - радиус закругления режущей кромки, мм.

Уравнение единичной касательной силы резания для микрослоев (по уравнению 3)

Fxl = (ap + a0k)(1 - 1/Xa2 + 2a0/Xa - a02/X). (12)

Сила резания по задней поверхности лезвия. При а = 0 парабола пересекает ось ординат в точке, соответствующей значению силы резания по задней поверхности лезвия. Таким образом, для лезвия

Fx3 = (apP + a0k)(1 - a02/X). (13)

Определение граничного значения a0. За базовое граничное значение можно принять a0 = 0,1 мм. Однако в результате экспериментальных исследований может быть получена точка т, лежащая на графике (рис.

1) выше кривой параболы АЕ. Если вертикальную ось параболы AG сместить влево, то можно добиться, что линия параболы пройдет через точку т. В этом случае граничное значение будет равно a0 = a01.

Результаты экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проведены в лаборатории кафедры станков и инструментов УГЛТУ на станке, используемом для изучения процесса строгания. Образцы фанеры размером 100x50x6 (9) мм фиксировались на тензометрическом динамометре и перемещались подвижным суппортом относительно неподвижного ножа.

Условия опытов. Скорость главного движения (скорость перемещения суппорта) V = 0,035 м/с, угол резания ножа 5 = 55°, толщина срезаемого слоя а = 0,02; 0,03; 0,04; 0,05; 0,06; 0,07; 0,08; 0,09; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25, 0,30 мм. Ширина строгания b = 6 мм (плотность фанеры p = 0,77 г/см3) и b = 9 мм (плотность фанеры p = 0,708 г/см3). Радиус закругления режущей кромки ножа p0 = 12 мкм.

Рис. 1. Расчетная схема к определению касательной силы резания для микрослоев

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013

123

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Для записи и обработки данных была выбрана аппаратно-программная среда LabView, которая преобразует аналоговый сигнал в цифровой и позволяет создавать, хранить и обрабатывать базы данных на компьютере.

Результаты экспериментов в виде графиков представлены на рис. 2 и 3.

Кромки в зависимости от направления волокон древесины лицевого слоя фанеры назовем продольными, они параллельны направлению волокон, или поперечными, они перпендикулярны направлению волокон древесины. Кромка образуется перерезанием продольных и поперечных слоев фанеры. Если кромка продольная, то количество продольных слоев, образующих ее, на единицу больше, чем поперечных слоев. И, наоборот, в поперечной кромке количество поперечных слоев на единицу больше, чем продольных слоев. При этом при строгании продольных слоев осуществляется резание вдоль волокон, а при строгании поперечных слоев - резание

Таблица 1

Характеристика линий графиков

Толщина срезае- Уравнение линий при строгании Кромок Достоверность аппроксимации R2

мого слоя а, продоль- ных попереч- ных про- доль- попереч- ных

мм ных

b = 6 мм

а < 0,07 Fx = 152,67а0-4587 Fx = 87,215а0,2542 0,8481 0,9969

а > 0,07 Fx = 28 + 243,9а Fx = 27 + 252,39а 0,949 0,9674

b = 9 мм

а < 0,07 Fx = 408,91а0,676 Fx = 194,71а0,424 0,7913 0,7642

а > 0,07 Fx = 57 + 150,45а Fx = 47 + 222,33а 0,6611 0,7731

Т а б л и ц а 2 Данные для анализа расчетных и экспериментальных данных касательной

силы резания при строгании поперечных кромок фанеры

а, мм 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

F, Н, расчетное 34,0 38,7 42,0 44,0 44,7

F, Н, эксперим. 35,58 38,6 40,35 42,52 44,59

Погрешность, % 4,3 0,3 -4,1 -3,3 -0,2

в торец. В результате этого сила резания при строгании поперечных кромок должна быть несколько больше, чем при строгании продольных кромок. Отсюда следует, что сила резания не может быть прямо пропорциональна ширине срезаемого слоя.

Графики показывают, что граничной абсциссой между кривой линией в диапазоне срезаемых микрослоев и прямой линией в диапазоне срезаемых макрослоев является абсцисса а0 = 0,07 мм. Характеристика линий графиков приведена в табл. 1.

Если принять, что при строгании фанеры граничной абсциссой является а0 = 0,07 мм, а сила резания не прямо пропорциональна ширине срезаемого слоя, то расчетное уравнение касательной силы резания для срезаемых микрослоев по (12) можно написать так, Н/мм:

Fx = (ap + 0,07к)(1 - 1/Ха2 +

+ 0,14/А ■a - 0,072/X), (14)

где X = р2 + 2а0р + а02, при р = 0,012 мм и

а0 = 0,07 мм X = 0,006724.

В этом уравнении значения p и к принимаются для толщины b мм, а не 1 мм.

Выполним расчеты касательной силы резания Fx для условия строгания поперечных кромок фанеры толщиной 6 мм в диапазоне срезаемых микрослоев, используя экспериментальные значения p = 27 Н/мм; к = 252,39 МПа. Тогда по формуле (14) получим данные, которые в сравнении с экспериментальными данными приведены в табл. 2.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. В фанере можно выделить продольные слои (в них осуществляется при строгании резание вдоль волокон) и поперечные слои (в них осуществляется резание в торец).

2. Результаты экспериментальных исследований показывают, что граничной абсциссой, разделяющей при строгании кромок фанеры срезаемые микрослои и макрослои является а0 = 0,07 мм. В диапазоне микрослоев зависимость касательной силы резания от толщины срезаемого слоя криволинейная, параболическая, в диапазоне макрослоев - прямолинейная.

3. На основании теоретических исследований предложено уравнение (12) для рас-

124

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013

Рис. 2. Зависимость касательной силы резания от толщины срезаемого слоя при строгании кромок фанеры толщиной 6 мм: а - для продольных кромок; б - для поперечных кромок

Рис. 3. Зависимость касательной силы резания от толщины срезаемого слоя при строгании кромок фанеры толщиной 9 мм: а - для продольных кромок; б - для поперечных кромок

чета касательной силы резания в диапазоне срезаемых микрослоев. Сопоставительный анализ расчетных и экспериментальных данных показал хорошие результаты. Предлагаемая расчетная формула (12) может быть рекомендована для решения практических задач.

Библиографический список

1. ГОСТ 3916.1-96. Фанера общего назначения с наружными слоями из шпона лиственных пород. Технические условия. - ИПК Издательство стандартов, 1999.

2. Глебов, И.Т. Резание древесины: Учебное пособие / И.Т. Глебов. - СПб.: Лань, 2010. - 256 с.

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ

управления электромагнитной направляющей в круглопильных станках

Е.Ю. КУЗНЕЦОВ, асп. каф. деревообрабатывающих производств МарГТУ

В процессе пиления древесины круглая пила испытывает напряжения в результате воздействия на нее центробежных сил инерции, неравномерности нагрева, усилий резания, проковки и вальцевания. При этом круглая пила отклоняется от плоскости вращения и теряет устойчивость, что отражается на снижении точности пиления древесины.

к[email protected] Наиболее эффективным средством ограничения отклонения диска пилы в осевом направлении являются направляющие [1].

Нами разработана конструкция отжимной электромагнитной направляющей, где снижение отклонения круглой пилы достигается за счет усилия притяжения, возникающего в воздушном зазоре между пилой и

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013

125